地铁车站矿山法施工的安全性与效率研究

谢银虎

（北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102600）

1 引言

随着我国城市化的迅速发展，地铁交通系统的建设变得日益重要。在地铁车站建设中，矿山法施工作为广泛应用的工程方法，以其在地下空间开发中的灵活性和高效性而备受青睐。然而，这种施工方式在提高效率的同时，也面临着日益复杂的地质条件和安全性挑战。因此，深入研究矿山法施工的安全性与效率问题，对推动城市地铁交通系统的快速、持续发展至关重要。

2 矿山法施工技术概述

2.1 矿山法施工地层特点

矿山法施工适用于隧道埋深较深、地质情况较好及地下水含量小或地下水位较低的地段，主要优势是对地层变化有高度的适应性、技术成熟、工法简单，且施工对周边环境、地下管线和交通的影响较小。然而，面对隧道围岩松散、地下水含量大或地下水位较高等不利条件时，需要采取降水、注浆加固等辅助施工措施，以保证施工安全进行。值得注意的是，矿山法施工产生的地表沉降量较大，工期较长，对施工安全性和投资可控性提出较高要求。虽然矿山法施工技术在适宜条件下表现出色，但在复杂地质条件下需要综合考虑各种因素，以确保施工高效、安全和可控。

2.2 施工技术及设备应用

矿山法施工技术有多种方法，按衬砌施工顺序可划分为先拱后墙法和先墙后拱法两大类。先拱后墙法，亦称支承顶拱法，被广泛应用于松软岩层或大跨度洞室中，即先开挖拱部断面并砌筑顶拱，再开挖下部断面和砌筑边墙，以确保施工安全。先墙后拱法包括漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法等。漏斗棚架法适用于坚硬稳定的岩层，即先开挖下导坑，再由下向上进行反台阶式扩大开挖，最后修筑衬砌。台阶法分为正台阶法和反台阶法，根据岩层稳定性进行选择。其中，正台阶法是将坑道断面分层开挖，而反台阶法则由下向上扩大开挖。全断面法适用于中小型断面隧道，在一次性挖出整个断面的同时进行全面施工，可采用大型机械进行机械化施工。上下导坑先墙后拱法，也称为全断面分部开挖法，即先分部挖出全断面，再按先墙后拱的顺序修筑衬砌，以提高衬砌质量。矿山法施工涉及喷浆台车、混凝土台车、高空作业车、炸药台车、撬毛台车和凿岩台车等多种设备，以保证施工过程的高效性、安全性和质量可控性。

2.3 矿山法施工流程

矿山法施工是一种借鉴矿山开采方法的隧道、地下工程施工方式，主要采用钻眼爆破方法进行断面开挖，同时修筑隧道衬砌。整个施工流程严谨有序，以保证施工高效、安全和质量可控，如图1 所示。施工开始时，分步开挖整个断面，先开挖导坑，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖，这一开挖操作，需根据地层的稳定性和特点，灵活选择挖掘机具，可采用简便挖掘机具，尤其是在地层较为松软时，以保证施工的高效性。整个施工流程，要求施工人员根据地质条件、隧道断面尺寸及支护类型，灵活调整分部开挖的大小和数量。对于坚实、整体的岩层，可考虑一次性开挖全断面。而遇到松软、破碎地层时，分步开挖成为必要的选择，施工人员需要根据实际情况调整开挖顺序，以保证施工的安全性和质量可控性。

图1 矿山法施工流程

3 安全性技术保障

3.1 地下空间探测与监测技术

矿山法施工中，地下空间探测与监测技术扮演着关键角色，可以保证施工过程的安全性。地下空间探测需使用先进的地质勘探仪器和传感器，通过精确测量地下岩层结构、地质构造和地下水位等，全面了解地下环境。同时，通过监测技术实时、动态地追踪隧道工程变化，及时提供反馈和预警，以帮助施工人员有效应对潜在的安全风险。先进的地下探测技术包括地质雷达、电磁波传感器和三维地震勘探等，能够非侵入性地获取地层结构信息，帮助工程团队更好地理解地质条件。同时，实时监测系统，结合激光测距、变形监测仪等设备，精准记录地下空间变化，包括位移、变形、地质应力等，以便施工团队及时发现潜在问题，并采取相应措施。

3.2 紧急救援与逃生系统

矿山法施工中，紧急救援与逃生系统是关键的安全技术保障，旨在有效应对可能发生的紧急情况，保障工作人员的生命安全。该系统整合了先进的技术手段，包括智能化监测、通信系统和紧急逃生通道等。其中，智能化监测是紧急救援的基础，可通过布设在工地各处的传感器，实时监测空气质量、温度、火源等参数，及时感知潜在风险。在发生紧急情况时，智能监测系统能够自动触发警报，向相关人员发送紧急通知，提高救援的响应速度。紧急逃生通道是保障工作人员安全撤离的重要组成部分。因此，应在施工现场合理设置紧急逃生通道，并配备自动导引系统，以确保紧急情况下工作人员能够迅速、有序地撤离危险区域。设计逃生通道时，应合理设置地下结构、通风设备和安全出口，以提供可靠的逃生通道。紧急救援与逃生系统在矿山法施工中发挥着至关重要的作用，可为工程安全提供全面保障，确保紧急情况下每位工作人员都能够及时、安全地撤离。

4 提高施工效率

4.1 自动化与智能化设备应用

4.1.1 提高机械化程度

提高施工效率的关键是通过提高机械化程度来实现更高效的矿山法施工。提高机械化程度即使用先进的工程机械设备，以减少人力投入，提高作业效率，并保证施工质量。随着技术的发展，工程机械化程度不断提高。具体而言，采用了更先进、智能的挖掘机、装载机等设备，通过自动化控制系统智能监控和调整工作状态，不仅能够提高开挖效率，还能有效降低操作人员的劳动强度，保证施工高效、安全进行。在提高机械化程度的同时，还应注重设备的适应性和灵活性。例如，具备多功能、多用途的机械设备，能够适应不同地质条件和隧道断面尺寸要求，提高设备的通用性，降低施工过程中换工作面和更换设备的频率。

4.1.2 在设备操作中应用先进的控制技术

提高施工效率的关键在于在设备操作中巧妙应用先进的控制技术。通过引入先进的控制技术，可实现矿山法施工机械设备智能化、自动化操作，从而提高作业精度和效率。在设备操作中，先进的控制技术包括智能化的自动导航系统，即利用全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS），实现自主定位和导航，确保在地下复杂环境中的准确定位，提高设备的自动驾驶能力，减轻操作人员负担；还包括远程遥控和自动化调度系统。通过远程遥控，操作人员可以在安全的地方远程操控设备，降低作业风险。自动化调度系统能够优化设备的工作路径，实现多机协同作业，提高整体施工效率。

4.2 施工管理与优化

4.2.1 制定科学的施工计划

施工管理与优化的核心在于制定科学合理的施工计划，以保证高效、有序地推进矿山法施工过程。科学的施工计划应考虑到多个关键因素，以达到最佳的施工效果。首先，需要综合考虑地质条件、隧道断面尺寸、设备性能等因素。通过详细的地质勘测和数据分析，科学评估施工环境，确定合理的开挖顺序和方式，以应对不同地质条件下的挑战。在考虑隧道断面尺寸时，需要根据具体工程要求和设备性能，设置合理的开挖参数，以保证施工的精准性和高效性。其次，科学的施工计划应包括合理的工期安排和进度控制。合理划分整个施工周期，明确每个阶段的工作重点和目标，保证施工的连贯性和高效性。同时，建立有效的进度监控系统，实时追踪施工进度，及时发现并解决可能存在的问题，确保整个施工过程按计划推进。最后，在制定施工计划时，需要充分考虑人力资源的合理配置。科学的施工计划，应根据不同工序特点和工作强度，合理安排施工人员的工作时间和休息周期，以在保证工作效率的同时，提高工作人员的工作舒适度和安全性。

4.2.2 提高物流与材料管理效率

在矿山法施工中，提高物流与材料管理效率是施工管理与优化的关键。有效的物流与材料管理能够保证施工过程中材料供应、运输和使用的高效性和流畅性。首先，采用先进的物流管理系统，通过物联网技术实时监测和控制施工现场。利用传感器、RFID 等技术，实时获取和传输材料库存、运输车辆位置、设备状态等信息，使管理人员迅速作出决策，优化物流路径，提高运输效率。其次，采用智能化的材料管理系统，实现施工材料的全生命周期追踪。通过条码、二维码等标识技术，对每个材料进行唯一标识，实现材料的实时管理和追溯。这样不仅有助于减少物料损耗，还能提高材料的利用率，降低施工成本。最后，优化运输路径和方式是提高物流效率的重要手段。采用智能调度系统，根据施工进度和物料需求，优化运输计划，以确保及时供应材料。同时，引入先进的运输工具和装卸设备，提高装卸速度，减少物料运输和搬运过程中的停滞时间。

5 案例分析与实证研究

5.1 矿山法施工过程

在某地铁车站矿山法施工过程中，施工团队先进行了详尽的地质勘测和分析，全面评估了地层的稳定性和特点；根据地质条件的不同，采用了灵活的分部开挖策略，优先开挖导坑，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。为保证施工的高效性，施工团队特别在地层较为松软的区域采用了简便的挖掘机具，灵活调整设备，以适应复杂的地质环境。在分部开挖的过程中，施工团队注重应用地下空间探测与监测技术。采用先进的地下勘测设备，实时监测地层变化，以精准应对施工过程中的地质环境。此外，建设紧急救援与逃生系统，为施工人员提供安全的工作环境。在施工效率方面，引入了自动化与智能化设备，特别是在提高机械化程度方面取得了显著进展。在设备操作中应用先进的控制技术，提高了施工精度和速度。在施工管理与优化方面，科学制定施工计划，确保整个工程按计划有序推进，提高了物流与材料管理效率。

5.2 经验总结

通过深入研究地铁车站的矿山法施工过程，得出了一系列宝贵的经验。首先，成功的关键在于充分了解地质条件，根据不同地层特点，采用差异化的施工方案，灵活应对松软、破碎地层。其次，精准应用地下空间探测与监测技术，通过实时监测地层变化，提高施工的安全性和稳定性。再次，在技术创新方面，应用自动化与智能化设备是关键之一，特别是在设备操作中应用先进的控制技术，不仅提高了施工效率，还保证了操作高精度，为工程的成功实施奠定了基础。最后，在施工管理与优化方面，科学制定施工计划，加强物流、材料管理，对整个工程的顺利推进起到了积极作用。

6 结语

综上所述，应用地下空间探测与监测技术，以及建设紧急救援与逃生系统，为施工提供了坚实的安全保障。应用自动化与智能化设备，尤其是在设备操作中巧妙运用先进的控制技术，显著提高了施工效率与精度。同时，通过科学的施工计划和物流、材料管理的升级，进一步保证了工程高效推进。